Применение бездугового источника импульсного давления

88

СЕТИ

РОССИИ

д

и

а

г

н

о

с

т

и

к

а

диагностика

ВВЕДЕНИЕ

Срок

службы

трансформаторов

и

другого

высоковольтного

масло

-

наполненного

электротехнического

оборудования

  (

ВМЭО

) 

исчисляется

десятками

лет

. 

В

процессе

эксплу

-

атации

под

действием

частичных

разрядов

, 

нагрева

, 

кавитации

и

других

факторов

происходит

дегра

-

дация

бумажно

-

масляной

изоляции

(

БМИ

) [1]. 

Со

временем

ухудшение

изоляционных

характеристик

может

превзойти

критический

уровень

, 

в

результате

чего

внутри

ВМЭО

воз

-

никнет

короткое

замыкание

  (

КЗ

), 

которое

, 

как

правило

, 

приводит

к

развитию

дугового

разряда

  (

ДР

) 

с

мощностью

в

десятки

и

даже

сотни

МВт

. 

Под

действием

ДР

происходит

интенсивное

разложение

транс

-

форматорного

масла

  (

ТМ

) 

и

БМИ

с

образованием

газообразных

про

-

дуктов

разложения

изоляции

 (

ГПРИ

). 

Поскольку

ТМ

практически

несжи

-

маемо

, 

образование

газа

вызывает

значительный

рост

давления

и

, 

как

следствие

, 

взрывное

разрушение

ВМЭО

. 

При

перемешивании

горячих

ГПРИ

, 

вырвавшихся

из

разрушенно

-

го

трансформатора

, 

с

атмосферным

воздухом

возможно

воспламенение

образовавшейся

газовой

смеси

. 

Ущерб

от

возникшего

пожара

может

на

порядок

превышать

стоимость

ВМЭО

, 

разрушенного

при

взрыве

. 

Вероятность

возникновения

пожа

-

ра

после

взрыва

составляет

около

15% [2].

В

случае

особо

тяжёлых

аварий

только

стоимость

подлежащего

заме

-

не

оборудования

может

исчислять

-

ся

десятками

миллионов

долларов

. 

Поэтому

повышение

взрывобезо

-

пасности

ВМЭО

является

весьма

серьёзной

проблемой

для

электро

-

энергетики

, 

которая

при

существу

-

ющем

положении

дел

будет

только

усугубляться

. 

Во

-

первых

, 

наблюда

-

ется

общая

тенденция

увеличения

установленной

мощности

единицы

оборудования

, 

во

-

вторых

, 

далеко

не

всегда

удаётся

обеспечить

надлежа

-

щий

темп

его

обновления

.

Степень

разрушения

ВМЭО

при

взрыве

определяется

главным

об

-

разом

величиной

энергии

Q

a

, 

вы

-

делившейся

в

дуговом

разряде

. 

Энергия

Q

a

зависит

от

длительности

горения

ДР

t

a

  (

или

времени

сра

-

батывания

защитных

устройств

), 

места

возникновения

КЗ

, 

характе

-

ристик

внешней

цепи

. 

По

литератур

-

ным

данным

диапазон

возможных

значений

этой

энергии

превышает

два

порядка

величины

. 

Например

, 

в

силовых

трансформаторах

класса

напряжений

 735 

кВ

значения

энер

-

гии

Q

a

изменялись

от

 1 

до

 147 

МДж

[2]. 

Бак

трансформатора

этого

клас

-

са

напряжений

взрывался

при

энер

-

Применение 

бездугового источника 

импульсного давления

Леонид ДАРЬЯН, заместитель директора

 по аналитической и методологической работе

 ЗАО «Техническая инспекция ЕЭС», д.т.н.,

Владимир ПОЛИЩУК, заведующий лабораторией 

Шатурского филиала, к.ф.-м.н.,

 Алексей ШУРУПОВ, директор Шатурского филиала, член-

корр. РАЕН, к.ф.-м.н.,

 Объединённый институт высоких температур РАН

89

№

 5 (26), 

сентябрь

–

октябрь

, 2014

гии

ДР

свыше

 8 

МДж

, 

но

пожар

мог

возникнуть

, 

если

энергия

Q

a

превы

-

шала

 14 

МДж

.

В

измерительных

трансформато

-

рах

классов

напряжений

до

 330 

кВ

энергия

Q

a

обычно

составляет

 0,3—

1 

МДж

; 

в

распределительных

транс

-

форматорах

мощностью

порядка

100 

МВА

эта

энергия

может

изме

-

няться

в

диапазоне

 3—10 

МДж

. 

При

ДР

в

более

мощных

трансформато

-

рах

и

коробах

высоковольтных

вво

-

дов

эта

энергия

может

составлять

десятки

мегаджоулей

.

По

условиям

эксплуатации

ВМЭО

нельзя

полностью

исключить

воз

-

можность

возникновения

внутрен

-

него

КЗ

, 

но

за

счёт

технологических

и

конструкторских

решений

можно

добиться

существенного

снижения

вероятности

аварии

и

уменьшения

ущерба

. 

Эта

задача

может

быть

ре

-

шена

применением

ряда

мер

, 

а

именно

:

• 

совершенствованием

методов

диагностики

степени

деграда

-

ции

изоляционных

свойств

ТМ

и

БМИ

, 

что

позволит

своевремен

-

но

проводить

ремонтно

-

профи

-

лактические

мероприятия

;

• 

уменьшением

времени

сраба

-

тывания

защитных

устройств

;

• 

использованием

альтернатив

-

ных

изоляционных

жидкостей

с

улучшенными

эксплуатацион

-

ными

характеристиками

вместо

минерального

ТМ

;

• 

созданием

более

взрывобезо

-

пасных

конструкций

ВМЭО

и

со

-

вершенствованием

систем

за

-

щиты

. 

Для

решения

последней

задачи

необходим

эффективный

метод

ис

-

пытания

оборудования

на

воздей

-

ствие

импульса

высокого

давления

, 

возникающего

в

ДР

. 

В

стандартной

методике

испытаний

на

взрыво

-

безопасность

используется

метод

инициирования

электрической

дуги

внутри

ВМЭО

 [3]. 

За

последние

двадцать

лет

в

России

и

в

других

странах

бывшего

СССР

утрачены

отраслевые

испытательные

стенды

, 

на

которых

можно

было

проводить

подобные

испытания

. 

В

работах

 [3—10] 

приведены

ре

-

зультаты

исследований

, 

в

которых

обоснован

альтернативный

метод

испытаний

ВМЭО

на

взрывобезо

-

пасность

. 

В

этом

методе

импульс

высокого

давления

, 

возникающий

после

КЗ

внутри

ВМЭО

, 

моделиру

-

ется

за

счёт

химической

энергии

взрывчатых

материалов

  (

ВМ

). 

Но

-

вый

метод

позволяет

отказаться

от

дорогостоящих

испытательных

установок

и

проводить

испытания

непосредственно

на

месте

изго

-

товления

или

установки

ВМЭО

. 

Как

показывают

оценки

, 

испытания

по

альтернативной

методике

обойдутся

значительно

дешевле

испытаний

по

стандартной

методике

.

В

Объединённом

институте

вы

-

соких

температур

РАН

  (

Шатурский

филиал

) 

по

заданию

ОАО

 «

ФСК

ЕЭС

» 

был

создан

бездуговой

источник

им

-

пульсного

давления

 (

БИИД

), 

предна

-

значенный

для

проведения

испыта

-

ний

на

взрывобезопасность

ВМЭО

. 

К

настоящему

времени

опробова

-

ны

конструкции

БИИД

, 

которые

по

-

зволяют

проводить

испытания

на

взрывобезопасность

ВМЭО

с

энер

-

гией

воздействия

до

 5 

МДж

.

В

данной

работе

обобщён

наш

опыт

использования

БИИД

для

по

-

вышения

взрывобезопасности

ВМЭО

: 

описаны

испытания

серий

-

ных

измерительных

трансформа

-

торов

класса

напряжений

 110 

и

330 

кВ

и

конденсаторов

связи

. 

В

работе

также

кратко

изложены

ре

-

зультаты

исследований

ДР

в

ТМ

, 

на

основании

которых

был

разработан

БИИД

. 

В

соответствии

с

принятым

определением

взрывобезопасное

электрооборудование

 — 

это

элек

-

трооборудование

, 

в

котором

при

внутреннем

воздействии

дуги

допу

-

скается

разрушение

конструкции

, 

но

все

её

фрагменты

должны

нахо

-

диться

внутри

нормируемой

зоны

безопасности

вблизи

оборудования

, 

размер

которой

рассчитывается

как

диаметр

 (

ширина

) 

оборудования

об

-

разца

, 

увеличенный

на

две

его

вы

-

соты

, 

но

не

менее

чем

на

 1,8 

м

.

Уровень

взрывобезопасно

-

сти

ВМЭО

можно

определить

по

характерной

величине

энергии

внутреннего

импульсного

воздей

-

ствия

длительностью

 50—100 

мс

, 

при

котором

данное

оборудование

является

взрывобезопасным

. 

Это

значение

энергии

определяется

на

основе

анализа

данных

об

авари

-

ях

, 

имевших

место

в

этом

оборудо

-

вании

либо

в

его

аналогах

. 

Другой

способ

оценки

энергии

 — 

расчёт

на

основе

эмпирических

данных

о

ДР

внутри

ВМЭО

. 

Можно

отметить

, 

что

энергия

ДР

внутри

одного

и

того

же

трансформатора

может

изменяться

в

достаточно

широком

диапазоне

. 

Сравнительно

надёжно

можно

рас

-

считать

лишь

минимальную

энер

-

гию

Q

m

. 

Поэтому

уровень

взрыво

-

безопасности

каждого

типа

ВМЭО

можно

определить

лишь

с

логариф

-

мической

точностью

.

ДУГОВОЙ

РАЗРЯД

В

ТРАНСФОРМАТОРНОМ

МАСЛЕ

Результаты

наших

эксперимен

-

тальных

исследований

ДР

в

ма

-

кетном

образце

ВМЭО

подробно

изложены

в

работах

 [3—6]. 

Далее

приведены

лишь

основные

харак

-

теристики

ДР

, 

полученные

в

этих

работах

. 

Условия

опытов

были

близ

-

ки

к

тем

, 

что

возникают

после

КЗ

в

промышленном

ВМЭО

, 

в

котором

ток

разряда

за

 3—10 

мс

нарастает

до

 10—30 

кА

. 

Максимальный

ток

дуги

достигал

 30 

кА

при

времени

нарастания

 1—3 

мс

. 

Общая

продол

-

жительность

горения

разряда

была

3—20 

мс

. 

Максимальное

тепловыде

-

ление

в

дуге

Q

a

достигало

 0,1 

МДж

. 

Источником

энергии

служил

ёмкост

-

ной

накопитель

с

максимальным

напряжением

 5 

кВ

. 

Использовавша

-

яся

электрическая

схема

позволяла

моделировать

две

полуволны

тока

разной

полярности

. 

В

ВМЭО

мощ

-

ность

ДР

максимальна

в

течение

первого

полупериода

тока

, 

в

даль

-

нейшем

из

-

за

снижения

удельного

сопротивления

изоляционной

жид

-

кости

напряжение

на

разряде

и

его

мощность

уменьшаются

. 

Эксперименты

проводились

в

камере

с

внутренним

диаметром

310 

мм

и

объёмом

 61 

л

. 

Объём

жидкости

составлял

 35 

л

. 

Оставший

-

ся

объём

заполнялся

азотом

при

атмосферном

давлении

. 

ДР

зажи

-

гался

между

двумя

параллельными

латунными

электродами

диаметром

20 

мм

, 

расстояние

между

которыми

изменялось

от

 17 

до

 30 

мм

. 

Расстоя

-

ние

от

места

возникновения

разря

-

да

до

границы

раздела

 «

жидкость

 — 

газ

» 

составляло

 100 

мм

. 

В

экспериментах

измерялись

ток

и

напряжение

ДР

, 

давление

на

стен

-

ках

камеры

и

в

газовой

полости

над

жидкостью

. 

Время

отклика

датчиков

давления

  (

ДД

) 

составляло

менее

0,5 

мс

. 

Один

ДД

был

установлен

вблизи

нижнего

фланца

камеры

, 

другой

 — 

на

расстоянии

 50 

мм

от

верхнего

уровня

жидкости

. 

Проводи

-

лась

высокоскоростная

киносъёмка

90

СЕТИ РОССИИ

развития

разряда

с

временным

раз

-

решением

 0,1 

мс

и

видеосъёмка

границы

раздела

  «

жидкость

 — 

газ

» 

с

разрешением

не

ниже

 0,8 

мс

. 

В

описанных

опытах

использова

-

лось

ТМ

марки

ГК

.

Разряд

инициировался

при

пода

-

че

напряжения



3 

кВ

) 

на

электро

-

ды

, 

соединённые

медной

проволоч

-

кой

диаметром

 0,1 

мм

. 

На

рис

. 1 

и

 2 

представлены

результаты

одного

из

опытов

. 

На

рис

. 1 

приведены

осцил

-

лограммы

токов

и

напряжения

на

ДР

. 

Время

существования

разряда



7,5 

мс

) 

близко

к

длительности

по

-

луволны

тока

на

промышленной

ча

-

стоте

. 

В

начальный

момент

на

осцил

-

лограмме

напряжения

наблюдается

резкий

рост

, 

который

после

взрыва

инициатора

и

формирования

плаз

-

мы

сменяется

быстрым

падением

. 

По

оценкам

, 

длительность

пика

вы

-

сокого

напряжения



20 

мкс

) 

совпа

-

дает

со

временем

электрического

взрыва

медного

инициатора

. 

Скоростная

киносъёмка

разря

-

да

показала

, 

что

сначала

свечение

плазмы

было

сосредоточено

вблизи

электродов

. 

В

тот

момент

область

свечения

расширялась

со

скоро

-

стью



0,3 

км

/

с

, 

но

уже

через

 0,5 

мс

эта

скорость

уменьшилась

пример

-

но

втрое

, 

т

.

е

. 

скорость

расширения

плазмы

значительно

меньше

скоро

-

сти

звука

в

ТМ

, 

которая

составляет



,4 

км

/

с

 [11]. 

Излучение

плазмы

перекрывало

межэлектродный

про

-

межуток

примерно

через

 1 

мс

после

возникновения

ДР

. 

На

спаде

тока

 (

рис

. 1) 

наблюдают

-

ся

пульсации

напряжения

, 

которые

, 

вероятно

, 

связаны

с

перемещени

-

ем

дуги

по

поверхности

электродов

. 

Скорость

перемещения

дуги

соста

-

вила

около

 20 

м

/

с

. 

Как

показывает

анализ

, 

столб

ДР

вытягивается

под

действием

собственного

магнитно

-

го

поля

, 

в

результате

чего

напряже

-

ние

на

ДР

увеличивается

, 

возникает

шунтирующий

пробой

и

напряжение

уменьшается

. 

По

оценкам

, 

харак

-

терное

значение

напряжённости

электрического

поля

в

столбе

ДР

со

-

ставляет

 0,1—0,3 

кВ

/

см

.

На

рис

. 2 

приведены

осцилло

-

граммы

давления

в

жидкости

. 

Как

видно

, 

характер

изменения

давле

-

ния

в

ТМ

является

импульсно

-

пе

-

риодическим

. 

Особенно

отчётливо

это

проявляется

в

первое

время

горения

ДР

 — 

в

течение

мс

, 

ког

-

да

первые

шесть

экстремумов

дав

-

ления

  (

максимумы

и

минимумы

) 

следовали

с

почти

постоянным

ин

-

тервалом

    ,8 

мс

. 

Прослеживается

корреляция

между

сигналами

с

ДД

и

осциллограммой

напряжения

на

разряде

. 

Так

, 

первому

максимуму

давления

соответствует

  «

размазан

-

ный

» 

максимум

напряжения

. 

Аб

-

солютному

максимуму

давления

в

масле

, 

который

был

зафиксирован

через

 3,71 

мс

после

возникновения

ДР

и

составил

    ,7 

МПа

  (

рис

. 2), 

предшествует

скачок

напряжения

до

 2,2 

кВ

, 

который

произошёл

через

3,64 

мс

после

возникновения

дуги

(

рис

. 1). 

По

-

видимому

, 

при

резком

снижении

напряжения

  (

пробое

) 

на

промежутке

в

жидкости

возникают

интенсивные

звуковые

волны

.

ТМ

поднималось

под

действием

расширяющегося

парогазового

пу

-

зыря

, 

что

приводило

к

сжатию

газа

и

росту

давления

в

нём

. 

Как

следует

из

видеосъёмки

, 

уровень

жидкости

поднимался

равномерно

на

высоту

  ,1 

м

, 

после

чего

происходил

про

-

рыв

парогазовой

смеси

в

область

, 

занятую

азотом

. 

Характерная

ско

-

рость

подъёма

жидкости

составляла

  0—20 

м

/

с

. 

Из

этих

данных

мож

-

но

оценить

составляющие

баланса

энергии

в

ДР

. 

В

обсуждаемом

экс

-

перименте

величина

энергии

Q

a

составила

 64 

кДж

, 

при

этом

макси

-

мальная

кинетическая

энергия

дви

-

жения

жидкости

была

 3—5 

кДж

, 

т

.

е

. 

5—10% 

от

всей

энергии

, 

выделив

-

шейся

в

разряде

. 

Основная

часть

энергии

Q

a

пошла

на

нагрев

ТМ

и

его

разложение

. 

После

разряда

в

ТМ

в

азотной

«

подушке

» 

устанавливалось

избы

-

Рис

. 1. 

Осциллограммы

тока

и

напряжения

Рис

. 2. 

Давление

в

ТМ

вблизи

нижнего

фланца

ток
напряжение

5

4,5

4

3,5

3

2,5

2

1,5

1

0,5

0

14

12

10

8

6

4

2

0

То

к

, 

кА

Время

, 

мс

Напр

яж

ение

, 

кВ

0

2

4

6

8

Время

, 

мс

0

2

4

6

8

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Давление

, 

МПа

91

№

 5 (26), 

сентябрь

–

октябрь

, 2014

точное

давление

на

уровне

 10—

50 

кПа

, 

которое

пропорционально

объёму

выделившихся

газов

при

разложении

ТМ

. 

Процесс

разложе

-

ния

ТМ

в

разрядах

принято

характе

-

ризовать

коэффициентом

газообра

-

зования

B

g

, 

который

представляет

собой

отношение

объёма

выделив

-

шихся

газов

к

энергии

ДР

. 

По

на

-

шим

данным

, 

B

g

 = 0,11 

л

/

кДж

. 

Проведённые

эксперименты

по

-

зволили

выявить

качественные

осо

-

бенности

динамического

воздей

-

ствия

ДР

на

корпус

ВМЭО

, 

главная

из

которых

состоит

в

том

, 

что

в

жид

-

кости

отсутствуют

ударные

волны

. 

Темп

роста

среднего

давления

со

-

ставляет

 0,3—0,5 

МПа

/

мс

. 

На

фоне

растущего

давления

в

камере

на

-

блюдаются

интенсивные

звуковые

волны

. 

Максимальное

давление

на

стенке

камеры

составляло



2 

МПа

. 

При

характерной

скорости

грани

-

цы

раздела

  «

жидкость

 — 

азот

» 10—

20 

м

/

с

давление

в

парогазовом

пу

-

зыре

должно

быть

 5—10 

МПа

. 

Представленные

результаты

позволяют

оценить

минимальную

энергию

Q

m

, 

которая

может

выде

-

литься

в

ДР

после

внутреннего

КЗ

. 

Нередко

мощному

ДР

предшествует

межвитковый

пробой

, 

после

кото

-

рого

возникает

слаботочный

шун

-

тирующий

разряд

с

напряжением

 10 

В

. 

В

этом

разряде

происходит

интенсивное

разложение

БМИ

, 

что

с

неизбежностью

приведёт

к

пробою

на

 «

землю

» (

корпус

ВМЭО

), 

в

резуль

-

тате

чего

возникнет

сильноточный

ДР

. 

Энергия

Q

m

оценивается

из

со

-

отношения

:

Q

m

   IEL

m

t

a

,  

                  (1)

где

I

 — 

ток

разряда

, 

определяе

-

мый

параметрами

внешней

цепи

, 

L

m

 — 

минимальное

расстояние

от

точки

возникновения

КЗ

до

корпуса

ВМЭО

, 

E

   0,2 

кВ

/

см

 — 

средняя

на

-

пряжённость

поля

в

столбе

ДР

.

БЕЗДУГОВОЙ

ИСТОЧНИК

ИМПУЛЬСНОГО

ДАВЛЕНИЯ

Результаты

исследований

ДР

определили

требования

к

бездуго

-

вому

источнику

импульсного

дав

-

ления

  (

БИИД

), 

с

помощью

которого

можно

моделировать

воздействие

ДР

на

ВМЭО

. 

В

БИИД

импульс

дав

-

ления

формируется

при

расшире

-

нии

струи

пороховых

газов

 (

СПГ

), 

об

-

разующейся

при

сжигании

ВМ

. 

При

этом

существенно

, 

что

длительность

воздействия

импульсного

давления

должна

быть

достаточно

велика

 — 

порядка

 50 

мс

. 

Это

условие

исклю

-

чает

использование

для

получения

СПГ

с

нужными

параметрами

ВМ

типа

гексогена

или

тротила

. 

В

сво

-

их

экспериментах

мы

использовали

ВМ

типа

пороха

, 

который

сгорает

значительно

медленней

, 

чем

тротил

. 

Теплота

сгорания

выбранного

ВМ

составляет

 3,8 

кДж

/

г

, 

удельное

газо

-

образование

 — 0,9 

л

/

г

. 

Генератор

СПГ

представлял

со

-

бой

камеру

высокого

давления

, 

из

которой

через

сопло

Лаваля

истека

-

ли

продукты

горения

ВМ

. 

Величиной

и

длительностью

импульса

давления

можно

была

управлять

, 

изменяя

площадь

сечения

сопла

, 

массу

ВМ

и

распределение

ВМ

по

камере

сго

-

рания

. 

Эксперименты

проводились

в

той

же

камере

, 

что

и

эксперимен

-

ты

с

ДР

. 

Генератор

СПГ

пристыковы

-

вался

к

одному

из

окон

так

, 

чтобы

область

воздействия

СПГ

была

при

-

мерно

такой

же

, 

как

и

при

горении

ДР

. 

Рабочими

жидкостями

являлись

ТМ

и

вода

. 

Расчётное

тепловыделе

-

ние

при

сгорании

ВМ

 Q 

изменялось

в

диапазоне

 10—50 

кДж

. 

Измерялось

давление

в

харак

-

терных

точках

камеры

, 

проводи

-

лась

высокоскоростная

съёмка

движения

жидкости

под

действием

СПГ

. 

Измерения

показали

, 

что

дав

-

ление

в

струе

на

входе

в

жидкость

достигало

 10—20 

МПа

. 

Это

давле

-

ние

устанавливалось

примерно

за

1 

мс

. 

Длительность

воздействия

струи

на

жидкость

изменялась

от

20 

до

 60 

мс

. 

Типичное

значение

давления

на

стенках

камеры

было

около

 1 

МПа

. 

Характер

движения

границы

раздела

  «

жидкость

 — 

газ

» 

под

действием

СПГ

, 

погружённой

в

жидкость

, 

был

таким

же

, 

как

и

под

действием

ДР

при

одинаковой

энергии

воздействия

. 

Граница

раз

-

дела

, 

оставаясь

плоской

, 

подни

-

малась

со

скоростью

 10—20 

м

/

с

. 

Следует

отметить

, 

что

не

выявлено

заметного

отличия

реакции

воды

и

ТМ

на

воздействие

СПГ

.

Выполненные

эксперименты

свидетельствуют

о

том

, 

что

можно

обеспечить

гидравлическое

подо

-

бие

течений

жидкости

при

воздей

-

ствии

СПГ

и

ДР

. 

Эквивалентность

течения

жидкости

под

действием

ДР

и

СПГ

достигается

при

равен

-

стве

энергии

и

длительности

воз

-

действия

. 

При

выполнении

этого

ус

-

ловия

генератор

СПГ

 (

БИИД

) 

можно

использовать

для

моделирования

воздействия

ДР

на

корпус

ВМЭО

. 

Бездуговой

источник

импульс

-

ного

давления

может

применяться

для

решения

целого

ряда

задач

, 

на

-

правленных

на

повышение

взрыво

-

безопасности

ВМЭО

, 

а

именно

:

• 

проведение

испытаний

серий

-

ных

образцов

ВМЭО

;

• 

проверка

эффективности

рабо

-

ты

взрывозащитных

систем

и

устройств

;

• 

проработка

новых

конструкций

ВМЭО

, 

имеющих

более

высокий

уровень

взрывобезопасности

, 

и

проведение

типовых

испытаний

;

• 

получение

исходных

данных

для

разработки

и

верификации

чис

-

ленных

методов

расчёта

пер

-

спективных

конструкций

ВМЭО

и

систем

защиты

от

взрыва

.

Испытание

существующих

и

перспективных

систем

защиты

ВМЭО

с

помощью

БИИД

описано

в

работе

 [10].

ИСПЫТАНИЯ

НА

ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ТРАНСФОРМАТОРОВ

И

КОНДЕНСАТОРОВ

СВЯЗИ

С

помощью

БИИД

нами

были

проведены

испытания

на

взрывобе

-

зопасность

серийных

измеритель

-

ных

трансформаторов

тока

  (

ТТ

) 

и

трансформатора

напряжения

  (

ТН

), 

а

также

конденсаторов

связи

  (

КС

). 

Заводы

-

изготовители

, 

марки

испы

-

танного

оборудования

, 

характер

-

ные

значения

токов

при

внутрен

-

нем

КЗ

и

ожидаемые

характерные

значения

энергии

ДР

приведены

в

таблице

. 

Энергия

ДР

оценивалась

на

основании

данных

заводов

-

изго

-

товителей

о

токах

КЗ

и

конструкции

ВМЭО

. 

Во

время

испытаний

внутри

ВМЭО

были

установлены

ДД

на

раз

-

ных

расстояниях

от

места

ввода

СПГ

и

проводилась

скоростная

видеосъ

-

ёмка

с

двух

взаимно

перпендику

-

лярных

направлений

с

временным

разрешением

не

менее

 3,3 

мс

. 

При

использовании

в

тестируемом

обо

-

рудовании

систем

защиты

в

виде

сильфонов

на

них

устанавливался

контактный

датчик

, 

фиксировавший

начало

их

движения

. 

Область

воздействия

СПГ

соот

-

ветствовала

области

наиболее

ве

-

роятного

возникновения

КЗ

. 

В

та

-

блице

также

приведены

значения

92

СЕТИ РОССИИ

длительности

воздействия

импуль

-

са

, 

создаваемого

БИИД

. 

Это

время

оценивалось

из

показаний

ДД

. 

Ма

-

лая

длительность

импульса

 (10 

мс

) 

означает

, 

что

во

время

испытаний

корпус

ВМЭО

разрушился

и

про

-

изошёл

сброс

давления

. 

При

про

-

ведении

испытаний

измерительные

трансформаторы

были

заполнены

ТМ

марки

ГК

, 

в

КС

использовалась

диэлектрическая

жидкость

на

осно

-

ве

фенил

-

ксилилэтана

производства

Nippon Petrchemicals Co., ltd. 

По

-

скольку

результаты

испытаний

изме

-

рительных

трансформаторов

произ

-

водства

ОАО

РЭТЗ

  «

Энергия

» 

и

ОАО

«

ЗЗВА

» 

подробно

описаны

в

работах

[7—9], 

в

данной

работе

ограничим

-

ся

их

кратким

резюме

. 

Результаты

испытаний

КС

производства

ОАО

«

УККЗ

» 

представлены

впервые

. 

В

ра

-

боте

также

описана

методика

плани

-

руемых

испытаний

ТТ

производства

ОАО

 «

СЗТТ

».

По

конструктивному

исполнению

испытанные

трансформаторы

зна

-

чительно

отличались

. 

В

ТТ

производ

-

ства

ОАО

РЭТЗ

  «

Энергия

» 

сварной

стальной

бак

со

вторичными

обмот

-

ками

располагался

в

нижней

части

. 

На

бак

устанавливалась

фарфоро

-

вая

покрышка

с

компенсатором

давления

в

виде

сильфона

, 

обеспе

-

чивающим

компенсацию

темпера

-

турных

изменений

объёма

масла

и

герметичность

конструкции

ТТ

. 

В

измерительных

трансформаторах

производства

ОАО

  «

Запорожский

завод

высоковольтной

аппаратуры

» 

(

ОАО

  «

ЗЗВА

»), 

наоборот

, 

было

пред

-

усмотрено

верхнее

расположение

бака

со

вторичными

обмотками

. 

На

бак

с

обмотками

ТН

устанавливался

защитный

сильфон

. 

На

ТТ

класса

на

-

пряжений

 330 

кВ

вместо

сильфона

первоначально

устанавливалась

за

-

щитная

мембрана

.

В

ТТ

типа

ТОМ

-110 

производства

ОАО

 «

Свердловский

завод

трансфор

-

маторов

тока

» (

ОАО

 «

СЗТТ

») 

также

ис

-

пользуется

верхнее

расположение

активной

части

, 

массивный

корпус

которой

был

изготовлен

из

литого

алюминия

. 

Активная

часть

помеща

-

ется

на

фарфоровую

покрышку

. 

Раз

-

работчики

этого

ТТ

предполагали

, 

что

сильфонный

компенсатор

, 

уста

-

новленный

сверху

активной

части

, 

сможет

защитить

ТТ

от

взрыва

.

Испытания

ВМЭО

производились

в

соответствии

с

методикой

, 

согла

-

сованной

ОАО

 «

ФСК

ЕЭС

». 

Для

испы

-

таний

ТТ

типа

ТОМ

-110 

и

КС

пред

-

полагалось

проведение

испытаний

при

двух

значениях

энергии

воздей

-

ствия

. 

Например

, 

первое

испытание

КС

типа

СМА

-166/

√

3-14 

проводи

-

лось

при

энергии

БИИД

 1 

МДж

, 

что

соответствует

ожидаемой

энергии

ДР

, 

возникающего

после

КЗ

. 

Второе

испытание

должно

было

проводить

-

ся

при

энергии

БИИД

 1,5 

МДж

, 

если

КС

не

будет

разрушен

при

энергии

1 

МДж

. 

В

противном

случае

испы

-

тание

должно

было

быть

проведе

-

но

при

энергии

БИИД

 0,5 

МДж

. 

Это

значение

энергии

примерно

соот

-

ветствует

минимально

возможному

значению

энергии

, 

которое

может

выделиться

в

ДР

после

внутреннего

КЗ

. 

По

аналогичной

схеме

проводи

-

лись

тестирование

на

взрывобезо

-

пасность

КС

типа

СМА

-110/

√

3-6,4 

и

ТТ

типа

ТОМ

-110. 

Определение

уровня

взрывобезопасности

ВМЭО

по

результатам

двух

испытаний

яв

-

ляется

более

надёжным

.

Трансформатор

тока

типа

ТБМО

 110 

Из

анализа

результатов

изме

-

рений

ДД

следует

, 

что

длительность

силового

воздействия

, 

когда

в

кор

-

пусе

трансформатора

существова

-

ло

избыточное

давление

на

уровне

0,5 

МПа

, 

составила

   60 

мс

. 

С

помо

-

щью

скоростной

видеосъёмки

было

установлено

, 

что

основная

дефор

-

мация

корпуса

произошла

за

пер

-

вые

 20—25 

мс

после

срабатывания

БИИД

, 

когда

избыточное

давление

внутри

ТТ

составляло

около

 1 

МПа

. 

Корпус

трансформатора

претерпел

значительные

пластические

дефор

-

мации

, 

при

этом

его

объём

увели

-

чился

примерно

на

 8,5 

л

 (12%). 

Де

-

формация

корпуса

не

повлекла

за

собой

образование

трещин

и

про

-

течку

ТМ

. 

Таким

образом

, 

ТТ

типа

ТБМО

-110 

является

взрывобезо

-

пасным

при

энергии

воздействия

0,4 

МДж

. 

Можно

отметить

, 

что

эта

энергия

воздействия

видимо

близка

к

максимально

возможной

, 

при

ко

-

торой

ТТ

типа

ТБМО

-110 

может

быть

признан

взрывобезопасным

.

Трансформатор

напряжения

НКФ

-110 

ΙΙ

Г

Длительность

воздействия

им

-

пульса

давления

с

общей

энергией

около

 1 

МДж

составила

 60—70 

мс

. 

В

течение

этого

времени

внутри

корпуса

удерживалось

избыточное

давление

на

уровне

 0,5 

МПа

. 

Через

10—15 

мс

после

запуска

БИИД

стал

подниматься

фланец

защитной

мем

-

браны

, 

который

затем

оторвался

. 

Сильфон

пришёл

в

движение

при

-

мерно

через

 15 

мс

после

запуска

БИИД

и

полностью

раскрылся

при

-

мерно

через

 20 

мс

. 

Максимальное

давление

внутри

бака

достигало

4 

МПа

, 

темп

роста

давления

был

по

-

рядка

 1 

МПа

/

мс

. 

Защитная

мембра

-

на

порвалась

, 

и

струя

ТМ

поднялась

вверх

примерно

на

 10 

м

. 

При

этом

радиус

разброса

ТМ

оказался

мень

-

ше

радиуса

нормированной

зоны

безопасности

. 

За

исключением

сильфона

и

верхнего

защитного

ко

-

жуха

видимых

нарушений

целостно

-

сти

металлоконструкции

и

опорного

изолятора

трансформатора

не

было

№

п

/

п Марка

ВМЭО Завод

-

изго

-

товитель

Диапазон

токов

КЗ

, 

кА

Энергия

Q

a

, 

МДж

Длительность

воздействия

БИИД

, 

мс

1

ТТ

типа

ТБМО

-110 

ОАО

РЭТЗ

«

Энергия

»

1,5—3

0,4

60

2

ТТ

типа

ТФРМ

 330 

ОАО

 «

ЗЗВА

»

5—10

1

60

3

ТН

типа

НКФ

-110 

ΙΙ

Г

ОАО

 «

ЗЗВА

»

15—20

1

70

4 

ТТ

типа

ТОМ

-110

ОАО

 «

СЗТТ

»

4—10

0,5; 1; 

1,5

50

5

КС

типа

СМА

-

110/

√

3-6,4

ОАО

 «

УККЗ

»

1—2

0,5; 1

50; 10

6

КС

типа

СМА

-166/

√

3-14

ОАО

 «

УККЗ

»

2—3

1; 1,5

50; 10

Табл

. 

Высоковольтное

маслонаполненное

электротехническое

оборудование

, 

испытанное

с

помощью

БИИД

93

№

 5 (26), 

сентябрь

–

октябрь

, 2014

обнаружено

. 

Таким

образом

, 

ТН

типа

НКФ

-110 

ΙΙ

Г

является

взры

-

вобезопасным

при

энергии

воз

-

действия

 1 

МДж

.

Трансформатор

тока

типа

ТФРМ

 330 

Б

-

ΙΙ

Проводились

испытания

двух

моделей

ТТ

типа

ТФРМ

 330 

Б

-

ΙΙ

У

1. 

В

ходе

испытания

первой

модели

были

выявлены

существенные

не

-

достатки

конструкции

высоковольт

-

ного

блока

: 

после

запуска

БИИД

из

технологических

отверстий

, 

рас

-

положенных

в

этой

части

ТТ

, 

стала

бить

горизонтальная

струя

ТМ

со

скоростью

около

 20 

м

/

с

и

дально

-

стью

полёта

около

 40 

м

. 

Эта

кон

-

струкция

ТТ

была

забракована

. 

Во

второй

модели

использовалась

модернизированная

конструкция

высоковольтного

блока

, 

в

котором

были

устранены

технологические

отверстия

, 

а

вместо

защитной

мем

-

браны

был

установлен

сильфон

. 

По

-

сле

испытаний

были

обнаружены

значительные

пластические

дефор

-

мации

корпуса

. 

Максимальная

де

-

формация

корпуса

достигала

 30 

мм

, 

прогиб

краёв

верхнего

фланца

корпуса

 — 20 

мм

, 

вздутие

верхней

крышки

трансформатора

 — 40 

мм

, 

также

произошла

разгерметизация

корпуса

по

фланцевому

соедине

-

нию

с

сильфоном

, 

так

что

утечка

ТМ

составила

примерно

 3 

л

/

мин

. 

Была

значительно

повреждена

изоляция

обмотки

трансформатора

. 

В

соот

-

ветствии

с

принятым

определени

-

ем

модернизированный

ТТ

типа

ТФРМ

 330 

Б

-

ΙΙ

У

1 

признан

взры

-

вобезопасным

при

энергии

ДР

1 

МДж

. 

Можно

отметить

, 

что

для

этого

трансформатора

требование

взрывобезопасности

при

энергии

1 

МДж

выполнено

с

 «

запасом

». 

Трансформатор

тока

типа

ТОМ

- 110 

Испытание

этого

ТТ

в

соответ

-

ствии

с

разработанной

методикой

предполагается

сначала

провести

при

энергии

БИИД

 1 

МДж

. 

Затем

, 

в

зависимости

от

степени

разруше

-

ния

ТТ

после

этого

испытания

, 

энер

-

гия

воздействия

будет

либо

увели

-

чена

до

 1,5 

МДж

, 

либо

уменьшена

до

 0,5 

МДж

. 

Последнее

значение

энергии

примерно

соответствует

минимально

возможной

энергии

ДР

, 

который

может

возникнуть

по

-

сле

внутреннего

КЗ

.  

Радиус

норми

-

рованной

зоны

безопасности

для

данного

ТТ

составляет

 5 

м

. 

Требуе

-

мые

параметры

импульсного

воз

-

действия

указаны

в

таблице

. 

На

рис

. 3 

показана

предполагае

-

мая

схема

испытаний

. 

БИИД

разме

-

щается

внутри

защитной

камеры

, 

которая

устанавливается

на

спе

-

циальную

подставку

справа

от

ТТ

. 

Импульс

высокого

давления

будет

подводиться

по

толстостенной

трубе

через

токоввод

внизу

активной

ча

-

сти

в

зоне

наиболее

вероятного

воз

-

никновения

КЗ

.

КС

типа

СМА

-110/

√

3-6,4

Отличительная

особенность

ДР

, 

возникающего

внутри

конденсато

-

ров

связи

после

КЗ

, — 

это

большая

длина

столба

дуги

  (  0,5 

м

) 

и

, 

соот

-

ветственно

, 

большая

величина

па

-

дения

напряжения

на

нём

. 

Поэтому

для

адекватного

моделирования

силового

воздействия

ДР

необхо

-

димо

было

создать

импульс

давле

-

ния

, 

распределённый

на

достаточ

-

но

большой

длине

. 

В

этом

состояло

принципиальное

отличие

испытаний

КС

от

испытаний

измерительных

трансформаторов

, 

когда

импульс

-

ное

давление

генерировалось

в

сравнительно

небольшом

объёме

, 

имевшем

размер

   0,1 

м

. 

При

ис

-

пытаниях

распределённый

импульс

давления

создавался

посредством

введения

СПГ

внутрь

КС

по

трубе

, 

в

которой

было

просверлено

от

 3 

до

4 

поясов

отверстий

. 

Размеры

и

ко

-

личество

отверстий

были

рассчи

-

таны

из

условия

, 

что

расход

газов

через

них

должен

быть

одинаковым

. 

Контрольные

опыты

подтвердили

, 

что

данное

решение

позволяет

полу

-

чить

импульс

давления

, 

равномер

-

но

распределённый

по

длине

. 

БИИД

был

установлен

снизу

КС

в

бетон

-

ном

оголовке

.

Сначала

испытания

прово

-

дились

при

энергии

воздействия

1 

МДж

. 

БИИД

был

установлен

в

бе

-

тонном

оголовке

под

КС

. 

Система

защиты

КС

от

взрыва

представляла

собой

сильфон

-

компенсатор

. 

При

испытаниях

с

энергией

воздей

-

ствия

 1 

МДж

произошло

взрывное

разрушение

КС

, 

причём

осколки

фарфоровой

покрышки

оказались

за

пределами

нормируемой

зоны

безопасности

, 

радиус

которой

для

данного

конденсатора

связи

со

-

ставляет

 4,5 

м

. 

По

оценкам

, 

раз

-

рушение

фарфоровой

покрышки

произошло

, 

когда

импульсное

дав

-

ление

превысило

 8 

МПа

. 

На

рис

. 4 

приведены

фотографии

КС

до

и

по

-

сле

испытаний

. 

При

испытаниях

с

энергией

воздействия

 0,5 

МДж

фарфоро

-

вая

покрышка

осталась

целой

, 

по

-

вреждения

корпуса

активной

части

конденсатора

связи

не

были

обна

-

ружены

. 

Тем

не

менее

был

зафик

-

сирован

незначительный

выброс

масла

и

внутренних

фрагментов

ак

-

тивной

части

КС

за

пределы

норми

-

руемой

зоны

безопасности

. 

Рис

. 3. 

Предлагаемая

схема

испытаний

ТТ

типа

ТОМ

-110 

на

взрывобезопасность

94

СЕТИ РОССИИ

КС

типа

СМА

 -166/

√

3-14

Система

защиты

КС

данного

типа

состояла

из

сильфона

-

компен

-

сатора

и

системы

внутренней

защи

-

ты

, 

разработанной

ТОО

 «

УККЗ

», 

с

ра

-

бочим

объёмом

около

 12 

л

. 

Сначала

были

проведены

испытания

с

энер

-

гией

БИИД

 1 

МДж

, 

в

результате

ко

-

торых

существенных

повреждений

корпуса

КС

не

было

обнаружено

. 

Был

частично

повреждён

оголовок

КС

, 

однако

выброса

изоляционной

жидкости

за

пределы

нормируемой

зоны

безопасности

, 

радиус

которой

для

данного

КС

составляет

 4,5 

м

, 

не

было

зафиксировано

. 

На

рис

. 5 (

сле

-

ва

) 

представлена

фотография

КС

по

-

сле

испытаний

со

снятой

крышкой

сильфона

.

На

следующем

этапе

были

прове

-

дены

испытания

с

энергией

 1,5 

МДж

. 

При

этом

произошло

разрушение

оголовка

с

выбросом

фрагментов

внутренней

конструкции

за

пределы

нормируемой

зоны

безопасности

. 

На

рис

. 5 (

справа

) 

приведена

фото

-

графия

КС

типа

СМА

-166/

√

3-14 

по

-

сле

испытаний

с

энергией

 1,5 

МДж

. 

Видно

, 

что

при

испытаниях

выбило

крышку

оголовка

, 

а

поверхность

зем

-

ли

усыпана

элементами

внутренней

конструкции

КС

, 

радиус

разлёта

ко

-

торых

превысил

радиус

нормирован

-

ной

зоны

безопасности

.

Рис

. 4. 

КС

типа

СМА

-110/

√

3-6,4 

до

 (

слева

) 

и

после

 (

справа

) 

испытаний

с

энергией

БИИД

 1 

МДж

На

основании

испытаний

КС

типа

СМА

-166/

√

3-14 

с

комби

-

нированной

системой

защиты

в

виде

сильфона

-

компенсатора

и

внутренней

защиты

с

рабочим

объёмом

не

менее

 12 

л

был

при

-

знан

взрывобезопасным

при

энергии

воздействия

до

 1 

МДж

включительно

. 

Анализ

полученных

результатов

показывает

, 

что

при

установке

внутренней

защиты

с

ра

-

бочим

объёмом

не

менее

 6 

л

КС

типа

СМА

-110/

√

3-6,4 

может

быть

признан

взрывобезопасным

при

энергии

воздействия

до

 0,5 

МДж

.

Представленные

результаты

ис

-

пытаний

измерительных

трансфор

-

маторов

и

конденсаторов

связи

позволяют

сделать

ряд

замечаний

по

поводу

проектирования

взры

-

вобезопасного

ВМЭО

и

систем

его

защиты

от

взрыва

. 

Большая

часть

ВМЭО

, 

находящегося

в

эксплуата

-

ции

, 

создавалась

в